ESE E2: Roda de Fibra de Carbono Monopeça Revolucionária Pronta para Performance

Monopeça, cura única. A linha E2 de rodas compósitas da ESE usa colocação de fibra sob medida (TFP) e um processo proprietário de moldagem por transferência de resina por compressão (RTM) estilo para produzir uma roda monopeça toda em fibra de carbono.

Rodas de fibra de carbono oferecem uma gama de benefícios reduzindo inércia rotacional e a massa combinada — conhecida como massa não suspensa — das rodas, suspensão e outros componentes diretamente conectados não suportados pela suspensão de um veículo. Esta redução na inércia rotacional e massa não suspensa, que pode ser tão alta quanto 50%, tipicamente resulta em aceleração mais rápida com menos esforço, distância de frenagem reduzida, manuseio melhorado devido a melhor contato com a estrada (aderência mecânica) e ruído de estrada reduzido.

Mas as etiquetas de preço em rodas de fibra de carbono — tanto híbridas quanto todo-compósito — as mantiveram fora do alcance de muitos consumidores. Com as mais acessíveis custando mais de $10.000 por um jogo, as rodas provavelmente só serão encontradas em carros esportivos de altíssimo nível e veículos de luxo. Várias empresas de rodas, no entanto, reconhecem o potencial de mercado para uma roda de fibra de carbono com preço mais baixo e estão trabalhando para encontrar uma solução. Abordagens variam dos materiais usados à forma como componentes de roda são manufaturados e combinados. Alguns combinam componentes de fibra de carbono com alumínio para uma roda híbrida. Alguns criam rodas de pré-impregnado.

A ESE Carbon Co. (ESE, Miami, Flórida, EUA) foi fundada em 2011 com o objetivo de tornar rodas de fibra de carbono disponíveis para um segmento mais amplo da população motorizada. A empresa adicionou uma equipe de usinagem CNC de precisão de cinco eixos, capacidades avançadas de peças compósitas estruturais, máquinas de colocação de fibra sob medida e robótica para automatizar produção. A empresa visa lançar sua linha E2 de rodas automotivas compósitas de fibra de carbono monopeça, cura única no próximo ano. Pesando apenas 17 libras, a roda da ESE é projetada para classificação de eixo de 3.850 libras, tornando-a capaz de suportar veículos até classificação de peso bruto do veículo de 6.800 libras. Segundo o CEO da ESE, Carlos Hermida, rodas de alumínio tradicionais capazes de lidar com o mesmo peso pesariam mais de 30 libras.

Côncavo profundo. O design de cinco raios da E2 é baseado em uma estética esportiva universal. Foto CW | Scott Francis

A E2 é um design de cinco raios baseado em uma estética esportiva universal com visual côncavo, tigela profunda. Hermida diz que a empresa foi inspirada pelo design de uma roda de alumínio Porsche, que foi então otimizada para fibra de carbono. A roda usa um sistema epóxi de alta temperatura com boa clareza e oferece soluções de acabamento personalizadas incluindo brilho claro, fosco claro e cores personalizadas.

A roda de fibra de carbono da ESE está 80% do caminho para certificação sob a Prática Recomendada existente da Society of Automotive Engineers (SAE, Warrendale, Pa., EUA), que se aplica a todas as rodas atualmente manufaturadas, incluindo rodas metálicas. O que é mais, Hermida diz que a empresa provavelmente terá a primeira roda monopeça no mercado certificada sob uma nova prática recomendada para rodas compósitas, SAE J3204, que acabou de ser aprovada para publicação pela SAE. Como a prática recomendada SAE para rodas metálicas, esta nova recomendação para rodas compósitas aborda durabilidade através de vários testes de fadiga e impacto. Também adiciona novos requisitos para contabilizar efeitos ambientais únicos a compósitos. Dr. Michael Hayes, vice-presidente de desenvolvimento de produto da ESE, tem estado ativamente envolvido na força-tarefa para esta nova prática recomendada, compartilhando dados e fornecendo protótipos para testes de desenvolvimento pelo comitê SAE. Internamente, a equipe de engenharia da ESE está trabalhando para garantir que a performance da E2 exceda as recomendações mínimas SAE.

"Houve anos de trabalho pela força-tarefa SAE para criar a prática de roda compósita", diz Hermida. "Muitos de nossos dados de teste e conhecimento foram compartilhados com SAE para ajudar a levar a prática à linha de chegada, e enquanto a nova prática SAE será mais rigorosa que práticas atuais de rodas, nós a recebemos em nome da segurança do consumidor."

Colocação de fibra sob medida. A roda de fibra de carbono da ESE é criada usando tecnologia de colocação de fibra sob medida (TFP) da ZSK Stickmaschinen GmbH. Fonte | ESE Carbon Co.

Recorrendo à Colocação de Fibra Sob Medida

A roda da ESE é criada usando tecnologia de colocação de fibra sob medida (TFP), que a empresa diz permitir manufatura de alta velocidade, alto volume de componentes de fibra de carbono com boas propriedades mecânicas. TFP funciona arranjando feixes de fibra, posicionando-os onde são necessários para performance estrutural, e costurando-os em posição em uma camada base compatível. O procedimento é usado no lugar da abordagem convencional de cortar tecidos tecidos para uma forma requerida. A ESE usa tow de fibra de carbono grau industrial da Hyosung Advanced Materials (Seul, Coreia do Sul) e tecnologia TFP da ZSK Stickmaschinen GmbH (ZSK, Krefeld, Alemanha) para costurar camadas, criando pré-formas de forma quase final.

"Ao controlar o caminho do material tow enquanto é costurado na geometria desejada, material é apenas colocado onde é necessário no pré-forma final", explica Topher Anderson Ph.D., gerente de aplicação de bordado técnico para ZSK. "Áreas de tecido que teriam que ser cortadas no design de laminado tradicional são simplesmente deixadas sem costura. Este processo reduz tanto o desperdício inicial produzido ao cortar tecidos tecidos para forma, quanto reduz desperdício de pós-processamento devido à capacidade de conformar a geometrias complexas."

Originalmente trabalhando com tecidos tradicionais de fibra de carbono antes de transicionar para TFP, a ESE alega que a tecnologia permitiu à empresa reduzir camadas em até 50%, criando assim um processo de deposição simplificado e minimizando desperdício. Segundo Hermida, desperdício de fibra de carbono foi reduzido de cerca de 40% com tecidos tradicionais de fibra de carbono para menos de 10% adotando TFP. Adicionalmente, a tecnologia levou a qualidade de deposição melhorada, orientação de fibra otimizada e flexibilidade de design aumentada.

Tow grau aeroespacial. ESE usa tow de fibra de carbono da Hyosung Advanced Materials para a E2. Fonte | ESE Carbon Co.

"Há muita curvatura em nossos raios, o que complica as camadas. Com tecidos tradicionais a orientação de suas camadas de fibra de carbono é limitada", explica Hermida. "Com TFP, há uma capacidade quase ilimitada de criar padrões retos ou curvos em qualquer direção, permitindo projetar camadas otimizadas para gerenciar cargas e tensões mais efetivamente que possível com tecidos tradicionais."

Uma das economias de custo mais significativas para a roda da ESE vem destas melhorias de deposição. Hermida diz que antes da mudança para TFP, deposição era um gargalo de manufatura para a empresa. Ele alega que a redução em camadas melhora eficiência e reduz tempo de deposição em quase 50%. Mais peças por molde podem ser feitas cada dia, o que se traduz em impacto positivo no investimento geral de tempo, mão de obra e equipamento por roda.

Em tudo, a ESE diz que TFP simplificou seu processo e contribuiu para escalabilidade melhorada. Hermida diz que há também vantagem de custo adicional de consolidar a cadeia de suprimentos comprando tow em vez de tecido.

Saiba mais sobre colocação de fibra sob medida (TFP):

• Colocação de Fibra Sob Medida: Superando metal em produção de volume
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Roda de Fibra de Carbono Toda-Infundida, Cura Única

Calor de frenagem. ESE Carbon diz que Araldite da Huntsman melhorou taxas de produção e aumentou resistência do aro, mesmo nas temperaturas elevadas às quais rodas são expostas durante frenagem. Foto CW | Scott Francis

Além de seu investimento em tecnologia TFP, a ESE está se afastando de processamento em autoclave para sua roda enquanto busca taxas de produção melhoradas. A E2 é produzida por um processo proprietário de moldagem por transferência de resina por compressão (RTM) usando prensas customizadas projetadas pela equipe de engenharia da ESE. Hermida diz que alcançar uma roda toda-infundida, cura única foi desafiador. Um componente-chave disto foi selecionar o sistema de resina correto.

"Precisávamos de um sistema de baixa viscosidade, alto Tg [temperatura de transição vítrea], alta clareza, cura rápida com propriedades robustas", diz Hermida.

A empresa selecionou o sistema de resina epóxi Araldite da Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas, EUA). Segundo a Huntsman, o sistema oferece baixa viscosidade para velocidades de injeção mais rápidas, molhagem de fibra e facilidade de processamento, bem como flexibilidade para ajustar a diferentes condições de molde e tempos de ciclo. Com Araldite, a ESE diz que é capaz de melhorar taxa de produção e aumentar a resistência do aro, mesmo nas temperaturas elevadas às quais rodas são expostas durante frenagem.

Araldite combina alongamento melhorado e tenacidade à fratura mais alta quando comparado a resinas epóxi convencionais com Tg alto até 200°C.

"Por causa do calor de freio que é gerado, esse é um componente crítico", diz Hermida.

Para reduzir tempo no molde, o sistema oferece cura a temperaturas intermediárias dentro do molde, seguida por pós-cura opcional em temperaturas elevadas fora do molde. O resultado é um aro compósito leve com boa resistência à fadiga, que é chave para durabilidade em rodas expostas a ciclagem/estresses repetidos durante operação do veículo.

Representantes técnicos da Huntsman trabalharam com a equipe de engenharia da ESE para determinar qual sistema de resina epóxi se encaixaria em suas necessidades de produção, bem como as razões ideais de componentes para atingir uma vida de trabalho longa o suficiente para injetar múltiplos moldes de roda antes do epóxi começar a gelificar. Adicionalmente, a empresa forneceu análise de modelagem de cura preditiva gerada por computador e testes de laboratório para ajudar a suportar esforços de desenvolvimento da ESE.

A Roda Compósita Continua Girando

Automação. ESE está trabalhando para avançar sua automação de tais tarefas como aparagem, automação pick and place e pré-formação. Fonte | ESE Carbon Co.

A ESE começará testes de estrada no Q1 2020. Entrega de rodas de pós-venda é esperada mais tarde em 2020 e a ESE diz que iniciou discussões com OEMs. Com a E2 pronta para seu debut no mercado, a questão volta ao custo. A maioria das rodas de fibra de carbono no mercado hoje são aproximadamente o custo de alguns carros acessíveis.

"Manufatura de roda de fibra de carbono é única de muitas maneiras; enquanto tecnologias atuais de automação nos beneficiam, grande quantidade de customização e desenvolvimento de automação ainda é requerida para chegar aos pontos de preço de roda que queremos", diz Hermida.

Com sua adição de TFP, a ESE está fazendo avanços na automação de seu processo. Hermida diz que a empresa também foi capaz de automatizar pós-processamento da roda, e a empresa está atualmente trabalhando para avançar sua automação de tais tarefas como aparagem, deposição robótica pick and place e pré-formação.

"Chega a ESE tornando rodas de fibra de carbono atingíveis", diz Daniel Canavan, vice-presidente de desenvolvimento de negócios da ESE. "Estamos diligentemente trabalhando para chegar a um ponto onde tecnologias de fibra de carbono podem ser aplicadas à população maior."

A E2 da ESE visa ser mais que apenas uma roda competitiva no mercado. A meta inicial é oferecer um jogo de quatro rodas por menos de $9.900. Enquanto isso ainda pode soar caro, é definitivamente um passo na direção certa, e Hermida diz que os projetos de automação da empresa ajudarão a aparar custos para alcançar além do mercado de luxo/performance.

"Nossas ambições vão muito além disso", diz Hermida. "Este é apenas um ponto de partida. Nosso objetivo é definir preços que estejam dentro de distância de ataque de rodas de alumínio forjado." Rodas de alumínio forjado comparáveis variam entre $5.000-$7.000.

"Vemos um quadro maior de fazer isso em produção em massa", diz Canavan. "Estamos pensando em veículos elétricos e outros mercados onde podemos compartilhar eficiência e [usuários] podem experimentar os benefícios de peso não suspenso — performance, velocidade e segurança. Há tantas vantagens para esta tecnologia onde podemos verdadeiramente fazer a diferença."